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出版者:McGraw-Hill

作者:Navabi, Zainalabedin

出品人:

页数:433

译者:

出版时间:2006-9

价格:$ 124.30

装帧:HRD

isbn号码:9780071474818

丛书系列:

图书标签:

催眠
FPGA
嵌入式系统
硬件设计
数字电路
Verilog
VHDL
处理器设计
SoC
嵌入式核心
可编程逻辑

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具体描述

This is a complete toolkit for designing embedded cores and utilizing those cores in an embedded system. A landmark guide in digital system design, "Embedded Core Design with FPGAs" equips today's computer engineers with everything they need to design embedded cores and apply those cores in a state-of-the-art embedded system. This practical resource brings together logic design, computer architecture, Verilog, FPGAs, Hardware/Software design, and SoCs, explaining how engineers can draw on their computer engineering background to achieve cutting-edge embedded designs.Renowned design expert and educator Zainalabedin Navabi first covers the basics of logic design, RT Level Verilog, computer architectures, and the architecture of modern field programmable devices. He then explores the design of utility cores that are used for high-level core-based designs, with specific focus on existing Altera cores. Finally, he describes higher-end design methodologies, including design of hardware/software systems, CPU configurations, embedded systems, and the utilization of various Altera Nios II processors." Embedded Core Design with FPGAs" features: a full array of design aids, including Verilog, FPLD structures, design and programming environments, and software and hardware tools; the latest embedded system design techniques, including use of high-level integrated environments, SOPC development tools, utilizing existing processor cores, and developing your own customized processor; and, a clear focus on utilizing Altera's new DE series and UP3 development boards and design software, including SOPC Builder and IDE software design environment.It helps to master every aspect of embedded core design - High-Level Hardware/Software Design Concepts: High-Level System Design Methodology; RT Level Logic Design; RT Level Verilog; Computer Hardware and Software Programming Languages; and, FPGA Architecture and Utilization. FPGA-Based Design of Embedded Cores: Implementation of Basic Interface Components; Configurable Cores; Custom Cores; CPU Cores; Core-Based System; and, Design Using Development Boards for Prototyping. System Design with Processor Cores: Design with a Customer Embedded CPU; Embedded Core DSP Application; Embedded Microcontroller with Keyboard and Display Interfaces; Using Embedded Design; Hardware and Software Tools; Nios II Processor; And, Nios II-Based Hardware/Software System Design.

FPGA硬件描述语言与系统级设计内容梗概：本书深入探讨了FPGA（现场可编程门阵列）的硬件描述语言（HDL）编程技术及其在现代嵌入式系统设计中的应用。本书旨在为读者提供一个全面、系统的学习框架，帮助他们掌握FPGA设计流程中的关键概念和实用技能，从而能够高效地构建复杂的数字系统。第一部分：FPGA基础与硬件描述语言入门 FPGA概述与架构： FPGA的定义与优势：详细阐述FPGA作为一种高度灵活、可重构的硬件平台，与ASIC（专用集成电路）和微处理器等其他硬件平台的区别与联系。深入分析FPGA在原型验证、低成本量产、快速迭代等方面的显著优势，以及其在通信、计算、工业控制、航空航航天等领域的广泛应用场景。 FPGA内部架构解析：剖析FPGA的核心组成部分，包括可配置逻辑块（CLB）、输入/输出块（IOB）、分布式RAM/ROM、DSP（数字信号处理）单元、时钟管理单元（CMU）、内部互连网络等。通过对这些基本元素的深入理解，读者能够更好地把握FPGA的性能特点和设计约束。 FPGA设计流程概览：介绍从需求分析、系统设计、HDL编码、功能仿真、综合、布局布线、时序分析到比特流生成和硬件调试的完整FPGA设计流程。强调每个环节的重要性及其相互之间的依赖关系。 Verilog HDL入门： Verilog语法基础：系统性地介绍Verilog HDL的语法结构，包括模块（module）、端口（port）、数据类型（reg, wire, integer等）、运算符、赋值语句（阻塞与非阻塞）、条件语句（if-else, case）、循环语句（for, while）等。通过大量简明扼要的代码示例，帮助读者快速掌握Verilog的基本表达方式。行为级建模：重点讲解如何使用Verilog进行行为级建模，即从算法和功能的角度描述硬件行为。涵盖组合逻辑和时序逻辑的建模方法，例如使用always块、assign语句等。强调行为级建模在功能验证和算法验证阶段的重要性。结构级建模：介绍如何使用Verilog进行结构级建模，即通过实例化和连接底层逻辑门（如AND, OR, NOT）或预定义模块来构建复杂逻辑。讲解模块实例化、端口映射等概念，以及结构级建模在低级设计和IP核集成中的应用。数据流建模：阐述数据流建模的概念，即通过assign语句描述数据之间的连续赋值关系，常用于建模组合逻辑。 VHDL入门（可选/对比）： VHDL语法基础：（如果内容包含VHDL）系统性地介绍VHDL的语法结构，包括实体（entity）、架构（architecture）、端口（port）、数据类型（std_logic, integer等）、运算符、赋值语句、条件语句（if-then-else, case）、循环语句（for, loop）等。行为级建模：讲解如何使用VHDL进行行为级建模。结构级建模：介绍如何使用VHDL进行结构级建模。数据流建模：阐述VHDL中的数据流建模方式。 Verilog与VHDL对比：（如果内容包含VHDL）分析Verilog和VHDL在语法风格、表达能力、使用习惯等方面的异同，帮助读者根据项目需求选择合适的HDL。第二部分：FPGA系统级设计与实践组合逻辑设计：基本逻辑门与组合电路：回顾基本逻辑门（AND, OR, NOT, XOR, NAND, NOR）的设计，以及如何使用HDL构建常见的组合电路，如加法器、减法器、多路选择器（multiplexer）、译码器（decoder）、编码器（encoder）等。有限状态机（FSM）设计：深入讲解有限状态机的概念、类型（Mealy型和Moore型），以及如何使用HDL对FSM进行建模和实现。强调FSM在控制逻辑设计中的关键作用，并给出实际应用案例。流水线（Pipeline）设计：介绍流水线技术在提高计算吞吐量方面的原理和实现方法。讲解如何通过引入寄存器将计算过程分解为多个阶段，并分析流水线设计中的关键挑战，如数据依赖和控制逻辑。时序逻辑设计：时钟与同步设计：详细阐述时钟信号在数字系统中的作用，以及同步设计的原则。讲解边沿触发、电平触发等概念，并重点介绍如何避免亚稳态（metastability）问题。寄存器与存储器：讲解D触发器（D-flip-flop）等基本时序元件的设计，以及如何构建移位寄存器、计数器等。介绍FPGA内部的RAM（Random Access Memory）和ROM（Read-Only Memory）的配置与使用方法。寄存器传输级（RTL）建模：深入讲解RTL建模的概念，即描述数据在寄存器之间传输和处理的过程。强调RTL建模是FPGA设计的中坚力量，是综合工具进行逻辑优化的基础。进阶HDL技巧与设计模式：参数化设计与通用模块：讲解如何使用参数（parameter）使HDL模块具有可配置性，从而实现代码的重用和灵活性。介绍通用逻辑模块的设计模式，例如通用的AXI接口模块、FIFO（First-In, First-Out）控制器等。高级HDL结构：探讨更复杂的HDL结构，如自定义数据类型、运算符重载（Verilog 2001/2005），以及并发语句（generate, specify）的应用。时序约束与优化：强调时序分析在FPGA设计中的重要性，介绍如何设置时序约束（clock constraints, input/output delays），以及通过代码优化和工具选项来满足时序要求，例如降低关键路径延迟。 IP核（Intellectual Property）的使用： IP核的概念与分类：解释IP核的定义，即预先设计好的、可重用的功能模块。介绍不同类型的IP核，如通信接口IP（UART, SPI, I2C）、存储器控制器IP、DSP IP、处理器IP等。 IP核的集成与配置：详细说明如何在FPGA设计流程中集成和配置第三方或厂商提供的IP核。讲解IP核的参数化选项、接口协议等，以及如何将其连接到用户自定义逻辑中。 IP核的生成工具：介绍FPGA厂商提供的IP核生成工具，以及如何使用这些工具定制和生成满足特定需求的IP核。 FPGA综合与实现工具链：综合（Synthesis）：解释综合工具如何将HDL代码转化为门级网表。介绍综合工具的工作原理、关键配置选项（如优化目标、约束设置），以及常见的综合工具（如Xilinx Vivado, Intel Quartus Prime）。实现（Implementation）：阐述布局（Placement）和布线（Routing）过程，即将门级网表映射到FPGA的物理资源上。讲解工具如何优化布局布线以满足性能和功耗要求。时序分析与报告：重点讲解如何解读FPGA工具生成的时间报告，包括关键路径、建立时间（setup time）、保持时间（hold time）违例等。介绍分析时序报告的步骤和方法，以及如何根据报告结果进行设计修改。功耗与资源估算：介绍FPGA设计中功耗和资源使用的估算方法，以及如何通过设计优化来降低功耗和减少资源占用。第三部分：嵌入式系统中的FPGA应用 FPGA与微处理器/微控制器集成：软核处理器（Soft-core Processor）：介绍在FPGA内部实现微处理器核（如MicroBlaze, Nios II）的概念。讲解软核处理器的优势（灵活性、可定制性）和劣势（性能、资源消耗），以及如何将其集成到FPGA系统中。硬核处理器（Hard-core Processor）：讨论包含内置硬核处理器的SoC FPGA（System on Chip FPGA），如Xilinx Zynq系列、Intel Arria/Stratix SoC系列。分析硬核处理器的性能优势以及FPGA可编程逻辑部分的应用。总线接口设计：重点讲解FPGA与处理器之间的数据通信机制，包括AXI（Advanced eXtensible Interface）、APB（Advanced Peripheral Bus）等常见总线协议。讲解如何设计和实现符合总线规范的接口逻辑。嵌入式通信接口设计： UART, SPI, I2C设计：详细介绍UART（通用异步收发器）、SPI（串行外设接口）和I2C（集成电路互联）等常用串行通信接口的原理和HDL实现。讲解如何根据通信协议要求设计发送和接收模块。 Ethernet, USB设计：（可选，根据内容深度）探讨更高级的通信接口，如以太网（Ethernet）和USB（Universal Serial Bus）的FPGA实现。介绍相关的协议栈和FPGA设计挑战。信号处理应用： DSP块的使用：讲解FPGA中的DSP slice（数字信号处理单元）的功能和配置。介绍如何利用DSP块加速乘法、累加等计算密集型操作。滤波器设计：介绍数字滤波器（如FIR, IIR）的FPGA实现。讲解如何将滤波器算法转化为HDL代码，并利用FPGA的并行性实现高速滤波。 FFT（快速傅里叶变换）实现：（可选）讨论FFT算法的FPGA实现，以及其在通信、雷达等领域的应用。嵌入式系统调试与验证：仿真（Simulation）：强调功能仿真在验证HDL代码正确性中的作用。介绍仿真流程、测试激励（testbench）的设计原则，以及不同级别的仿真（行为级、RTL级、门级）。逻辑分析仪（Logic Analyzer）：介绍FPGA内部调试工具，如ILA（Integrated Logic Analyzer），如何用于在硬件上观察信号变化，进行实时调试。在线调试（In-system Debugging）：讲解如何在目标系统中进行在线调试，包括断点设置、变量查看等。本书特色：理论与实践相结合：理论知识讲解深入浅出，同时辅以大量的工程实践案例和代码示例，帮助读者将理论知识应用于实际项目。流程化设计指导：按照标准的FPGA设计流程进行讲解，引导读者掌握完整的设计方法。注重关键概念：深入剖析FPGA设计中的核心概念，如时序约束、亚稳态、流水线等，帮助读者建立扎实的理论基础。面向实际工程问题：聚焦嵌入式系统开发中的实际需求，例如接口设计、性能优化、调试方法等。目标读者：本书适合于对嵌入式系统和硬件设计感兴趣的工程师、大学本科生、研究生，以及希望掌握FPGA设计技术的软硬件开发人员。具备一定的数字逻辑基础和C/C++编程经验者，能够更快速地掌握本书内容。通过本书的学习，读者将能够独立完成FPGA项目的需求分析、系统设计、HDL编码、仿真验证、综合实现以及硬件调试，从而在嵌入式系统开发领域具备更强的竞争力。